Словосполучення «системна токсикологія» я вперше почула в стінах грандіозного науково-дослідного центру Cube. Цю alma mater усіх можливих навколомедичних наук побудувала, як не дивно, компанія Philip Morris International. Мета — довести здатність інноваційної продукції зменшити ризик виникнення захворювань, котрі провокує паління. І задля цього три сотні видатних всесвітньо відомих дослідників уже кілька років поспіль вивчають, що ж саме відбувається з організмом людини після першої «смачної» затяжки?
ВЗ Мануелю, ви «батько» нової науки — системної токсикології. Але я не маю жодного уявлення, чим же це ноу-хау відрізняється від звичної нам токсикології?
Мануель Пейтш, професор, засновник системної токсикології, генеральний директор з науково-дослідної роботи Philip Morris International , професор, засновник системної токсикології, генеральний директор з науково-дослідної роботи Philip Morris International ВЗ На чому ґрунтувалися токсикологічні дослідження ризику раніше?
— Протягом десятиліть визначення токсикологічної небезпеки в контексті нормативно-правової оцінки ризику більшою мірою залежало від експериментів на тваринах. Вони здебільшого призначені для встановлення дози, при якій речовина провокує патологічний вплив, і дози, нижче якої очікується відсутність негативного ефекту (так званий нульовий рівень шкідливого впливу). Після цього завдяки використанню емпірично отриманих факторів похибки дослідник може вирахувати різноманітні еталонні значення небезпеки, що допомагають оцінити ризик для екології чи здоров’я людини. Незважаючи на свої недоліки, протягом багатьох років цей традиційний підхід до оцінки токсичності для забезпечення прийнятного рівня захисту людського здоров’я і навколишнього середовища в цілому розглядався як задовільний.
З кінця 80-х років минулого століття багато законодавчих актів, у тому числі ЄС, почали обмежувати проведення досліджень in vivo (на тваринах). З таким обмеженням можна погодитися, незважаючи на те, що повноцінні замінні методи оцінки комплексних наслідків для здоров’я, таких як хронічна системна токсичність, репродуктивна токсичність і рак, досі не розроблені. Саме тоді (а 2012 рік вважається роком «народження» системної токсикології) й окреслилась нагальна потреба створити альтернативні методи токсикологічних тестувань та оцінок, які підходять для нормативного прийняття рішень. На той час ми мали обмежену кількість наявних аналітичних і автоматизованих засобів, що були б доцільними для характеристики та моделювання цієї проблеми. Але дуже багато хімічних речовин з навколишнього середовища або залишалися недостатньо вивченими, або щодо них узагалі не було токсикологічних даних у вільному доступі.
ВЗ Якими методами досліджень володіє молода наука?
— Є кілька необхідних компонентів у концепції системної токсикології. Перший — транскриптоміка, або створення профілю генної експресії. Ця технологія застосовується для вивчення змін в експресії всіх мРНК у популяції клітин, органа або організму. Транскриптомний аналіз є найкращим на сьогодні відомим критерієм ідентифікації порушених біологічних мереж. Нинішня технологічна база транскриптомічних вимірювань для досліджень системної токсикології використовує олігонук-леотидні мікроматриці і, віднедавна, секвенування наступного покоління (NGS).
Другий компонент наших досліджень — протеоміка, що відображає повний набір білків у клітині, органі або організмі. Показникові зміни рівнів і модифікацій білків застосовуються для діагностики захворювань, виявлення наркотиків і вивчення токсичних ефектів. Протеомічна інформація має особливе значення в системній токсикології, оскільки збільшення або зменшення рівнів білка може бути сигнальним механізмом певної хвороби.
Метаболоміка — третій компонент, що включає комплексний і кількісний аналіз усіх метаболітів або низькомолекулярних органічних чи неорганічних хімічних речовин, які є продуктами або субстратами ферментопосередкованого процесу. У контексті системної токсикології метаболоміка є унікальною, оскільки може бути використана для визначення ушкодженого ендогенного метаболіту. З технічної точки зору, метаболоміка найчастіше застосовує ЯМР-спектроскопію та/або метод аналізу MS.
І наостанок, ліпідоміка — повний ліпідний профіль біологічної системи. Встановлено, що зміни ліпідного гомеостазу зумовлюють виникнення кількох патофізіологічних станів. Ліпіди — це не лише основний запас енергії, а й важливий компонент усіх клітинних мембран. Вони підтримують низку сигнальних функцій. Дійсно, глибокі зміни в клітинному та тканинному складі ліпідів відбуваються у відповідь на вплив активних речовин і факторів навколишнього середовища. Таким чином, ліпідоміка є потужним засобом моніторингу загального ліпідного складу на біологічних матрицях і, як було доведено, має великий потенціал для виявлення і визначення біомаркерів, що є показниками токсичності. Наразі розроблено багато методів, заснованих на MS, здатних ідентифікувати й кількісно оцінити сотні видів молекулярних ліпідів. Тобто системна токсикологія значно залежить від автоматизованих методів для управління, аналізу й інтерпретації даних, отриманих за допомогою великомасштабних експериментальних підходів, описаних мною. Кінцева мета полягає в розробці прогностично значущих комп’ютерних моделей, які можуть бути використані для оцінки ризику.
ВЗ Тобто системна токсикологія має наміри вивчати абсолютно всі рівні впливу на організм?
— Системна токсикологія ґрунтується на припущенні, що морфологічні та функціональні зміни на клітинному, тканинному й органному рівнях обумовлюються змінами на геномному, протеомічному та метаболічному рівнях і одночасно є їх причиною. Молекулярна система може бути первинно представлена моделями високоорганізованих статичних біологічних мереж, які використовують основні графічні викладки для відображення молекулярної сутності об’єктів (вузлів) і їх взаємодії (граней). Хоча ці базові моделі слугують для відтворення базисної молекулярної схеми біологічної системи, вони є занадто спрощеними за своєю природою, щоб описати токсикологічні метаболічні шляхи і їх динамічний характер. Опис токсикологічного шляху вимагає розробки більш деталізованих, складних автоматизованих моделей за допомогою кодування причинно-наслідкових зв’язків. Такі моделі уможливлюють комп’ютерний аналіз і контекстуалізацію експериментальних даних. Зрештою, описання динамічних токсикологічних процесів вимагає розробки ще складніших моделей завдяки математичному опису динамічної поведінки цих причинно-наслідкових зв’язків. Такі моделі здатні імітувати реальні зміни на молекулярному рівні. А розібравшись з основою, ми поступово дійдемо й до популяційних змін.
ВЗ Наскільки системна токсикологія пролила світло на проблему паління?
— Близько 90% смертей від раку і половина летальних наслідків від серцевих хвороб не можуть бути пояснені генетичними факторами, тому для них запропонована теорія екологічного походження. Секвенування генома людини дало можливість виявити індивідуальну схильність кожного з нас до певної хвороби шляхом масштабних досліджень генома, але на сьогодні вони пояснили порівняно невелику частину з усього розмаїття поширених хронічних недуг. При цьому спостерігається нестача засобів для оцінки впливу, і тому, наприклад, в епідеміологічних дослідженнях покладаються в основному на анкетування, кілька цільових параметрів і експериментів. Наше завдання полягало у виборі з тисяч вимірюваних біологічно активних хімічних речовин тієї єдиної, на котрій потрібно зосередитися. Оцінюючи біомаркери, дуже важливо відокремлювати ті, що генеруються під впливом навколишнього середовища і врешті-решт призводять до хвороби. Прикладом такого ступеневого підходу до ідентифікації біомаркерів є скринінг кількох тисяч дрібних неполярних молекул у сироватці крові з метою виявлення молекулярного біомаркера схильності до колоректального раку, пов’язаного з низьким сироватковим рівнем протизапальної жирної кислоти GTA-446. Ось так ми й почали глобально деталізувати проблему шкоди паління.
Ми вже завершили кілька масштабних досліджень, тому я можу поділитися з медичною світовою спільнотою їх основними результатами. Звичайно, першу фазу досліджень проведено in vivo. Упродовж 8 місяців ми порівнювали біологічні прояви в трьох групах, які протягом 2 місяців піддавалися дії тютюнового диму. Після цього одна група продовжувала зазнавати впливу цигаркового диму, друга — впливу повітря з аерозолем від альтернативних систем нагріву тютюну (iQOS), а третя — була переведена на вдихання свіжого повітря. Потім ми детально вивчили і проаналізували всі біологічні наслідки для досліджуваних груп та провели всі належні гістопатологічні дослідження й використали всі методи системної токсикології. Ми вивчаємо тисячі молекул, що беруть участь в обміні речовин в організмі, зміну їх кількості та вплив цих змін на різні його параметри. Згідно з наявними на сьогодні даними вживання альтернативних систем нагріву тютюну не виявляє значного впливу на молекули й обмін речовин в цілому, крім тих параметрів, на які діє нікотин. Ми довели: припиняючи палити або, принаймні, переходячи на продукти зменшеного ризику, можна знизити інфільтрацію запальних клітин і медіаторів у легенях. Звичайно, ми валідуємо результати наявних «досліджень» шляхом проведення клінічних експериментів за участі добровольців — повнолітніх курців. Їх ми розподіляємо на такі самі три групи. Добровольці регулярно здають кров і піддаються ретельним медичним обстеженням для виявлення відмінностей у стані їх організму з кожним днем експерименту. Уже за першу добу в екс-курців, котрі перейшли на iQOS, значно знижується рівень карбоксигемоглобіну та наближається до відповідного показника в людей, які кинули палити. Аналогічні результати протягом трьох днів спостерігаються за кількістю бензолу, акролеїну і 1,3-бутадієну (канцерогенів, які спричиняють рак). Окрім цього, у дослідницькому центрі Cube, розташованому в Невшателі, є лабораторії, що вивчають профіль небезпеки продуктів потенційно зниженого ризику, котрі компанія створює в пошуках ідеального замінника традиційному палінню цигарок. Отримані результати дуже обнадійливі, однак дослідження все ще тривають, і ми згодом опублікуємо висновки про зниження ризику для здоров’я, ґрунтуючись на всій сукупності доказів.
ВЗ Яким ви бачите розвиток системної токсикології в майбутньому?
— Ми стоїмо на порозі безпрецедентного перевороту в здійсненні токсикологічного аналізу. Кінцева мета системної токсикології — розробка такої динамічної математичної моделі біологічних мереж, щоб їх відтворення правильно відображало «поведінку» біологічного процесу. Цей процес перебуває нині в стадії становлення і є важливим кроком у системній науці. Одна з ініціатив у цій галузі була запропонована Управлінням з охорони навколишнього середовища США. Вона спрямована на створення віртуальної комп’ютерної ембріональної моделі з метою прогнозування потенційного впливу хімічних речовин з навколишнього середовища на ембріональний розвиток.
Другим прикладом є програмне забезпечення DILIsym — моделювання, тобто багаторівневе відображення медикаментозного ураження печінки. Розробка таких моделей — грандіозна і комплексна справа. Але має пройти певний час, перш ніж вони зможуть бути використані для оцінки ризику.
Необхідна умова — прискорення розвитку адекватних тест-систем для дослідів у пробірці, щоб доповнити та поступово замінити in vivo-моделі. Окрім цього, звичайно, необхідні значні інвестиції урядів по всьому світу в рамках спільних зусиль з розвитку фінансування наукової основи системної токсикології. Наприклад, DARPA (Агентство передових оборонних дослідницьких проектів США) нещодавно інвестувало 70 млн дол. у розвиток «органів на чіпах» протягом найближчих 5 років.
Зрештою, ці міжнародні зусилля повинні бути об’єднані для сприяння реальній зміні парадигми оцінки ризику, що не тільки забезпечить високий рівень захисту громадського здоров’я та навколишнього середовища, а й дасть поштовх до економічного зростання і розвитку світової торгівлі.
Розмовляла Тетяна Приходько, «ВЗ»
